Схема усилительного каскада с НЧ коррекцией.

На средней частоте сопротивление близко к нулю и полностью шунтирует сопротивление . С уменьшением частоты увеличивается ,а, следовательно,и эквивалентное сопротивление: . Поскольку, ,то с уменьшением частоты b как следствие, .

Установлено, что оптимальное соотношение , а АЧХ и ФЧХ имеют оптимальную форму .

 

Пример:Расчет элементов цепей низкочастотной коррекции.

Дано:

=120

=1.5

=100 Гц =

Решение:

к

=

1=

1=2

 

 

Высокочастотная коррекция

Частотно-зависимая ОС по току за счет цепи . С повышением частоты повышается глубина ОС и .На : ;
;

Во втором случае мы имеем, что с увеличением увеличивается

1 2

 

УПТ (Усилитель постоянного тока).

УПТ - усилитель, полоса рабочих частот которого равна :

Гальваническая связь между каскадами. Амплитудная характеристика проходит через ноль.

УПТ применяются:

- в электронных вольтметрах постоянного тока;

- в системах автоматического управления;

- в стабилизаторах напряжения и тока и т.д.

 

По принципу действия УПТ различают:

- УПТ прямого усиления;

- УПС с преобразованием частоты.

 

УПТ прямого усиления с непосредственной связью между каскадами.

 

Режим работы каскада (рабочая точка) задается предыдущим каскадом.

Поэтому

 

Резисторы образуют местную ООС(без VT в на )

- компенсируют потенциал поля Б VTI и K VT3;

 

Поскольку имеет место ООС, то

 

Поскольку уменьшается, а растет от каскада к каскаду, то

, т.о. падает от каскада к каскаду. Обычно число каскадов £ 3.

 

Недостатки УПТ прямого усиления:

- источник сигнала оказывается не заземлен;

- дрейф нуля;

- относительно низкий коэффициент усиления.

 

Дрейф нуля.

Отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения при закороченном входе. Данное отклонение вызывается воздействием дестабилизирующих факторов:

- старение элементов;

- нагрев элементов схемы;

- изменение и (или) колебание напряжения питания;

- замена вышедшего из строя элемента другим.

 

Наличие дрейфа нуля приводит к нарушению линейной зависимости между входным и выходным сигналами на нулевой и очень низкой частоте особенно в области малых входных сигналов.

Наибольшее влияние на величину дрейфа всего усилителя оказывает дрейф первого (входного) каскада. Это объясняется тем, что первый каскад имеет относительно высокий , а входной сигнал малого уровня.

Для уменьшения или устранения дрейфа нуля используют:

1. Термостатирование усилителя (особенно его первых каскадов);

2. Применение балансных схем построения усилителя;

3. Стабилизация напряжения питания.

 

Балансный каскад УПТ

(Дифференциальный усилитель)

 

 

Одним из основных применений ДУ является усиление малых сигналов на фоне больших синфазных помех различного происхождения.

Схема представляет собой мост, плечами которого с одной стороны выступают К-ые резисторы, а с другой стороны внутреннее сопротивление транзисторов. Основное требование – это полная симметрия плеч, тогда при ()

, где - дифференциальная составляющая входного сигнала

- синфазная составляющая входного сигнала

-дифференциального сигнала при ()

-синфазного сигнала при ()

 

Дифференциальный сигнал – является полезным сигналом.

Синфазный сигнал – различные помехи и наводки, действующие одновременно на обоих выводах.

При воздействии дифференциального сигнала токи коллектора изменятся на одну и ту же величину, но противоположную по знаку, т.е.:

При этом напряжение: , сл-но, на нагрузке будет напряжение . Можно записать: ,т.о. в 2 раза больше обычного каскада ОЭ.

 

При включении нагрузки средняя точка будет иметь неизменный потенциал , поскольку потенциалы на его выводах имеют одинаковые и противоположные по знаку приращения. Т.о., каждое плечо нагружено на сопротивление (средняя точка «заземлена»).

- для одного плеча.

Поскольку , то при дифференциальном входном сигнале.

(1)

Поэтому напряжение не изменятся, и тем самым ООС по переменному току отсутствует.

Коэф. усиления синфазного напряжения определяется при замкнутых входных выходах и замкнутых коллекторах.

(2)

Действие синфазного входного сигнала приводит к одинаковому приращению : .

Т.о., налицо процесс подавления синфазного сигнала. Кроме того, на за счет одинаковых знаков и увеличится напряжение (1), т.е. проявляется эффект ООС по току. Из формулы (2) следует, что тем меньше, чем больше , но увеличение ограничивается минимально допустимым рабочим током коллектора транзисторов. Поэтому в качестве используют транзистор, поскольку (из выходной нагрузочной характеристики – нагрузочной прямой).

; ;

 

!!! Коэффициент подавления синфазного сигнала:

 

УПТ с преобразованием частоты.

В рассмотренных УПТ практически невозможно добиться отсутствия дрейфа нуля (различная реакция элементов схемы на изменения температуры). Поэтому для усиления малых сигналов постоянного тока применяют УПТ, в которых постоянный входной сигнал преобразуется в пропорциональный переменный сигнал , который затем усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем снова преобразуется в сигнал постоянного тока . Напряжение дрейфа порядка 1нВ.

Операционные усилители.

Широкие функциональные возможности дифференциальных усилителей позволяют создание на их основе интегральных схем высококачественных усилителей, обладающих большими коэффициентами усиления дифференциального сигнала и подавления синфазного сигнала, большим входным и малым выходным сопротивлениями, низким уровнем линейных и нелинейных искажений, с широкой полосой пропускания. Такие интегральные усилители получили название операционных усилителей (ОУ), поскольку с помощью линейных и нелинейных элементов ОС можно воспроизводить различные математические операции над входным сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д.). Кроме того, ОУ используют для усиления, детектирования, преобразования сигнала, а так же для генерирования сигналов.

ОУ имеют два входа: инвертирующий и неинвертирующий, один выход и биполярное питание.

 

ОУ является дифференциальным устройством, способным реагировать только на дифференциальный сигнал:

Влияние синфазного сигнала пренебрежимо мало: ()

Идеализированная модель ОУ предполагает:

- собственное усиление ОУ, .

Т.о., ОУ можно использовать только в условиях ООС. В этом случае устанавливается равновесный режим, при котором: , т.е. - потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов.

ОУ можно представить как высококачественный УПТ.

 

Идеализированные параметры	Реальные параметры
	сотни МОм 100 200 Ом 1 10 мВ

 

Основные параметры ОУ

 

1. Напряжение смещения - входное напряжение, которое д.б. приложено к входным зажимам, чтобы .

Причина: несимметрия входного дифференциального усилителя: мВ.

 

2. Разностный ток (базовые токи смещения), вызывает на входе дифференциальное напряжение, которое приводит к появлению ненулевого

при отсутствии входного сигнала.

Для установления нулевого выходного напряжения, т.е. для компенсации и

используют внешнюю цепь регулировки. Обычно переменный резистор, подключаемый к специально предусмотренным выводам ОУ:

3.Диапазон допустимых синфазных напряжений – диапазон напряжений, который можно подавать на вход ОУ, не переводя его в режим ограничения.

При питании В В.

4.Коэффициент подавления синфазного сигнала – отношение к: : .

5. Скорость нарастания выходного напряжения - максимальная скорость изменения выходного при подаче на вход единичного скачка напряжения. Обычно она измеряется при и при пересечении выходным напряжением нулевого уровня: В/мкс, В/мкс.

6. АЧХ ОУ

вводим ООС, чтобы получить кГц.

- частота единичного усиления, при которой коэф. собственного усиления равен 1.

МГц- общего назначения

МГц- широкополосный ОУ

7. Максимальное сопротивление нагрузки определяет максимальный выходной ток, отдаваемый в нагрузку при максимальном выходном напряжении:

.

Обычно кОм.

 

Типовые применения ОУ

Считают:

1.

2.

3.

1) Повторитель Сигнала,

I ()	II ()
1. Имеет место ООС с 2. 3. 4.

 

2) Неинвертирующий усилитель,

- образуют цепь ООС.

- для уменьшения разностного тока; .

I	II
1. 2. 3. 4.

 

3) Инвертирующий Усилитель ,

 

II

1. - поэтому т.А называют точкой «виртуальной земли»

2.

3. По 1 закону Кирхгофа из-за большого , сл-но, .

Следовательно, ,

 

4) Инвертирующий Сумматор,

Т.А имеет нулевой потенциал, следовательно, все входы независимы.

;

;

;

, при

 

5) Дифференциальный усилитель,

 

;

=

;

6) Дифференцирующий усилитель,

 

( ); ; ;

 

7) Интегрирующий усилитель, .

 

; ;

8) Компаратор Сигналов,

КС выполняет операцию сравнения по модулю двух входных сигналов, при этом знак выходного напряжения определяется наибольшим из входных сигналов.

Обычно одно из входных напряжений является опорным.

Чувствительность – минимальная разность входных напряжений, при которой компаратор вырабатывает выходной сигнал. Быстродействие определяется интервалом времени между подачей входного сигнала и моментом достижения входным сигналом установившегося напряжения.

 

RC - фильтры.

-ФНЧ. .

 

 

 

, где , .

-ФВЧ. .

 

 

, где

Активные RC - фильтры.

Содержит один или несколько активных четырехполюсников с обратной связью, за счет которой формируется АЧХ фильтра.

Данные фильтры принципиально содержат RC-элементы. При построении RC-фильтров используют три способа.

1. Использование с/н верширующего ОУ, для которого коэффициент передачи: .

-ФНЧ.

, , .
-ФВЧ.

, , .
-ПФ.

, .
Квазирезонансная частота: .

.

2. Основывается на включении в цепь обратной связи произвольного усилителя подходящего фильтра. При этом, если в ОС стоит:

- ФНЧ, то активный фильтр будет ФВЧ;

- ПФ, то активный фильтр будет ФНЧ;

- Рст. Ф, то активный фильтр будет ПФ.

 

Т-образный мост

 

3. Основывается в конструировании специальных схем с заданными свойствами. Эти фильтры или результат синтеза по заданным характеристикам или результат целенаправленного инженерного поиска (т.е. предмет изобретения).

Используются произвольные усилители с многопетлевой обратной связью. Содержит два конденсатора, следовательно, являются фильтрами второго порядка. Для получения фильтров более высокого порядка используют каскадное соединение.

.

Для ФНЧ:

Для ФВЧ:

Для ПФ:

Режекторный фильтр не реализуется при двухтактной ОС.

ФНЧ. .
ФВЧ. .
ПФ. .
Недостаток: невозможно независимо друг от друга менять коэффициенты и передаточной функции.

 

 

RC – автогенераторы

Схемы, с помощью которых энергия источника преобразуется в энергию переменных электрических колебаний при отсутствии внешнего сигнала, называются генераторами.

Колебания можно получить, охватив обычный усилитель положительной ОС.

 

- баланс амплитуд;

- баланс фаз;

и - комплексные коэф. усиления и передачи усилителя и цепи ОС соответственно.